超高层建筑复杂结构模型转化技术

中建四局第六建筑工程有限公司 合肥 230011

现代化楼层的结构高度和构件的变换越来越复杂，设计和施工的难度逐步提高，各种有限元软件各有其特点，ANSYS为通用的最早、功能最强大的有限元仿真软件，对于复杂结构的节点分析和施工时变分析等具有很强的优势，但建模比较复杂和烦琐。SAP2000也是目前比较通用的结构设计软件，对于复杂模型结构建模非常方便[1-3]。本文主要找到一种转化模型技术方法，结合实际工程将SAP2000结构模型转化为ANSYS有限元模型。

1 模型转化技术原理

目前将SAP有限元模型转化为ANSYS模型的方法很多，但不同的方法各有其不同的方便性，本文主要阐述一种相对简单方便的模型转化技术方法。主要分为3 个步骤，即：第一，SAP2000模型转化前处理；第二，ANSYS前期处理工作；第三，ANSYS模型转化后处理，实现模型的转化。基本结构转换具体流程为：SAP2000有限元模型→按截面编号拆分构件→构件去单元化（转DXF和IGES）→ANSYS前期处理工作（IGES文件转CDB文件及材料模型APDL语言编程）→按构件将不同的截面编号CDB文件整合→不同构件网格划分→构件整合ANSYS结构有限元模型。

1.1 SAP2000模型的前期处理

1）分面处理材料和几何模型工作；

2）将SAP2000有限元模型进行去单元化工作 。

1.2 ANSYS前期工作

1）分化转化IGES格式写入CDB文件工作；

2）前期材料模型整理及编写ADPL程序工作；

3）按同构件整合分组CDB文件工作。

1.3 ANSYS模型转化后处理

1）不同构件分面CDB文件的几何模型网格划分工作；

2）根据不同单元整合工作和网格划分工作；

3）不同分面单元的整合工作、材料和约束处理工作。

2 模型转化步骤

贵阳双子塔东塔结构主体为高326 m的超高层混凝土建筑，建筑面积约17万 m2，地上65 层、地下5 层。该结构为内核心筒、外框架钢筋混凝土柱，其中20层以下为叠合矩形柱，65层以上为外框架钢结构柱。图1为该塔楼SAP2000结构有限元模型，建模过程中，梁柱子采用Frame框架单元，剪力墙和板采用shell壳单元。

2.1 SAP2000模型的前期处理工作

因SAP2000软件和ANSYS软件建模和输入的方式迥异，根据建筑结构模型在SAP2000和ANSYS有限元模型的特点，为保证转化后ANSYS材料模型的APDL编程方便统一，在SAP2000中将整个结构模型按构件截面进行分类规整。

首先，按原东塔SAP2000结构有限元模型（图1）梁柱和墙板截面编号分类选择各构件，本模型在SAP2000中柱子截面分为18 类，包括叠合柱编号SD1～SD11，混凝土柱编号z1～z6和钢柱子GLZ1；梁截面有63 类，编号为L1～L63，有钢筋混凝土梁、钢梁和斜杆；剪力墙27 类，编号q1～q27；板10 类，编号ban1～ban10。

其次，进行东塔SAP2000结构模型去单元化工作，去单元化的主要原因是考虑不同软件单元定义和网格划分的差异性，对于直接按单元导入ANSYS后处理工作量很大，将按截面编号分类，按截面选择导出编号DXF文件。将所有不同构件的截面按编号导出DXF文件。

图1 SAP2000结构模型

最后，将按不同截面编号导出的DXF格式文件用SAP2000文件转化为按截面编号的IGES文件。

2.2 ANSYS前期工作

首先，进行ANSYS材料模型APDL语言的前期编写，从SAP2000有限元模型中很容易归类不同材料所设置的材料属性相关数据，然后进行APDL语言的编写。但对于建筑整体模型叠合柱的轴向刚度、剪切刚度和弯曲刚度可以《钢管混凝土结构设计规程》（ECEC 188—2005）变形协调理论为依据，按公式5.2.3-1，5.2.3-2和5.2.3-3进行手工换算。然后将换算的结果用APDL语言编写成材料模型。

其次，按构件属性分面整合不同构件的几何模型。首先用ANSYS软件将所有按截面编号的IGES文件转化为按截面编号的CDB文件。在转化的过程中注意要去除与构件相重合的线或面，通过设置容差和面线基本命令进行统一处理。将导出的按截面分类的CDB文件按构件属性即柱子、梁、墙和板分别在ANSYS前期处理中进行读取和分组整合，如图2和图3所示。在按不同构件整合的过程中，按不同的截面编号进行分组命令CMSEL对构件按截面编号全部的分组，以便于赋予材料模型构件的材料属性。

图2 东塔柱子和梁的整合几何模型

图3 东塔剪力墙和板的几何模型

2.3 ANSYS模型后处理工作

首先，进行不同构件分面CDB文件的几何模型网格划分工作。在ANSYS模型中，柱子和梁采用beam189梁单元，剪力墙和板采用shell93结构壳单元。对不同构件按分组CM命令进行网格划分，在柱子和梁几何模型中，要检查是否有不连续或没有耦合的节点，用几何命令处理不连续的线连接相互重复的关键点。然后将编写好的材料模型用APDL语言赋予构件和构件不同的截面，对于梁柱网格划分采用线分割分段网格划分命令。划分度可以设为1，对于剪力墙和板的网格划分，在网格划分前确保几何模型各个面都重合，面上的线没有重复的。转过来的模型往往会出现这种情况，在不同分组面中通过BTOL命令设置合理的容差值，然后对面中的线用LCSL或LGLUE命令进行局部处理。然后设置合理的网格尺寸进行网格划分（图4、图5）。

图4 东塔柱子和梁有限元模型

图5 剪力墙和板有限元模型

最后，进行不同构件分面单元的整合工作、材料和约束处理工作。将不同构件所划分好的有限元模型在ANSYS中进行整合，进一步施加约束和优化有限元结构模型。在进一步完善材料模型和施加约束后就可以进行整体分析及局部分析。例如：东塔结构转化层的结构刚度变化大、整体协调变形复杂，为了研究结构转化层随着上部结构荷载的逐层增加对转化层叠合柱的应力和应变的影响，在已经转好的东塔ANSYS模型中依据结构特点选取转化层部分局部整体模型（图6），然后另写入CDB文件，在该文件中施加约束和荷载就可以进行有限元分析。

图6 ANSYS有限元模型

3 结语

本文阐述了在建筑领域复杂超高层结构有限元模型转化技术，为日后进行大型复杂建筑设计结构模型的分析和施工仿真技术提供一种方便的转化技术。提出分面分层转化方法，转化后只需简单的运用APDL简单编程，就可实现将SAP2000有限元模型转化为ANSYS通用有限元模型。